KR102248769B1 - 중첩 레이저 용접 장치 및 방법 - Google Patents

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다니엘 앤써니 캐포스타그노
야체크 타데우스 가브즈딜
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에스피아이 레이저스 유케이 리미티드
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Abstract

제1 금속 부품(1)을 제2 금속 부품(2)에 레이저 용접하는 장치가 개시되고, 상기 장치는, 레이저 펄스(21) 형태의 레이저 빔(6)을 방출하는 레이저(3);제1 금속 부품(1)의 금속 표면(7)에 대해 레이저 빔(6)을 이동시키는 스캐너(4); 레이저 빔(6)을 금속 표면(7) 상에 포커싱하는 대물 렌즈(5); 및금속 표면(7)에 대해 레이저 빔(6)을 이동시켜 복수 개의 포커싱된 스폿(16)을 형성하도록 스캐너(4)를 제어하는 제어기(12)를 포함하고, 상기 장치는 제1 금속 부품(1)에 복수 개의 용융 풀(19)을 그리고 제2 금속 부품(2)에 히트 스테이크(17)를 형성하게 하는 스폿 크기(34)와 펄스 플루언스(36)를 갖는 레이저 펄스(21)를 포커싱하며, 각각의 히트 스테이크(17)는 용융 풀(19)들의 각각 다른 용융 풀로부터 연장되고 원위 단부(101)를 가지며, 제어기(12)는, 용융 풀(19)들이 중첩되게 하기에 충분히 작고, 히트 스테이크(17)의 원위 단부(101)들이 적어도 하나의 방향(108)에서 서로 구별되며 분리되는 것을 보장하기에 충분히 큰 거리(18)만큼 포커싱된 스폿(16)을 이격시키는 것을 특징으로 한다.

Description

중첩 레이저 용접 장치 및 방법
본 발명은 레이저 용접 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 이종 금속, 밝은 금속을 용접하고, 가전 제품, 전자기기 패키징, 에너지 저장 장치, 장식품 디자인, 및 의료 장치에서 용접하는 특별한 용례를 갖는다.
금, 구리, 알루미늄, 백금, 및 은과 같은 밝은 금속을 근적외선 스펙트럼(800 nm 내지 2500 nm)의 레이저 용접에 의해 결합하는 것은 밝은 금속의 표면이 불량한 흡수도의 고도의 반사성을 갖기 때문에 도전 과제를 제시한다. 표면 반사율을 극복하고 금속 표면에 레이저 에너지의 결합을 개시하기 위해, 고출력 밀도의 레이저 빔을 사용해야 한다.
밝은 재료에 대한 빔의 기능은 빔 홀드 오프(반사) 및 흡수로부터 매우 좁은 작동 윈도우를 갖는 개별 기능에 가깝다. 처음에, 표면은 실질적으로 모든 레이저 광을 반사한다. 그러나, 일단 표면 반사율이 충분한 레이저 강도에 의해 극복되면, 표면의 용융이 개시된다. 이때, 반사율은 반사율이 80% 이상인 원래의 높은 반사 상태에서 일부 금속의 경우 반사율이 50% 미만일 수 있는 낮은 값으로 거의 즉시 천이된다. 이로 인해, 표면 상의 용융 풀(melt pool)이 매우 빠르게 성장하게 된다. 따라서, 제어하기가 매우 어렵다.
얇고 낮은 질량의 섹션을 용접할 때에 문제가 증가된다. 그러한 고출력 밀도는 흔히 해롭고, 이로 인해 레이저 빔이 과도하게 관통되어 신뢰할 수 없는 접합부가 초래된다. 반대로, 근적외선 레이저가 흡수도 한계값의 또는 그 바로 위의 빔 강도를 갖는 보다 낮은 출력 밀도에서 작동되는 경우, 이로 인해 일반적으로 레이저 빔이 금속 표면에 대해 불균일하고 무작위로 결합됨으로써 용접부가 약하거나 결여되게 된다.
구리, 및 금과 은 등의 다른 밝은 금속의 레이저 용접의 현재 바람직한 방법은 가시 녹색 파장으로 방출하는 레이저의 사용을 포함한다. 가장 통상적인 레이저는 532 nm에서 방출하는 주파수 배가된 1064 nm 레이저이다. 이는 밝은 금속의 반사율이 일반적으로 근적외선 파장보다 532 nm에서 상당히 낮기 때문이다. 그러한 레이저를 이용한 밝은 금속들의 레이저 접합은 반복적이고 균일하지만 주파수 배가와 관련된 효율, 복잡성, 및 비용을 희생하는 용접부를 생성한다. 몇몇 용례에서, 효율과 생산성을 높이기 위해서는 532 nm에서 방출되는 레이저와 1064 nm에서 방출하는 제2 레이저를 결합해야 한다. 그러한 이중 파장 시스템은 용접 구조체를 분석하고 맞춤화하기 위해 정교한 빔 모니터링 및 실시간 분석을 이용하는 레이저 용접 프로세스의 폐루프 모니터링을 필요로 한다. 그러한 진단 장치는 레이저 제어기에 피드백을 제공하기 위해 역 반사광 및 용접 풀 특성의 비디오 분석을 이용한다. 이들 시스템은 복잡하고 비용이 많이 든다.
녹색 레이저의 사용은 이종 금속을 결합하는 용례를 특별히 다루지 않고 밝은 금속의 용접 접합을 수행하기 위해 채택되었다. 이종 금속의 종래의 용접은 계면에서 금속들의 희석 및 결과적인 열 조건의 특정 제어에 의존하여 이종 금속의 혼합을 최소화하고, 이로 인해, 소위 금속간 화합물(intermetallics)이 접합부에 초래된다. 큰 금속간 화합물 영역은 접합부에 작용하는 응력으로 균열되기 쉽고 균열은 파괴될 때까지 전체 접합부를 통해 전파된다.
연속파 및 펄스 레이저를 이용한 레이저 용접은 연속적인 용접 프론트, 또는 용접부가 연속적인 이음매를 형성하는 중첩 스폿 용접부 중 하나로 널리 알려져 있다. 용접 프로세스에 의해 유발되는 재료의 결함은 약화점을 만들어 내고, 대부분의 용례에서 용납되지 않는다. 펄스 용접부는 통상적으로 마이크로초 및 밀리초 펄스를 이용하여 형성되며, 재고형화되어 용접부를 형성하는 용융물을 생성한다. 이종 재료를 용접할 때에, 용접부 계면은 접합되는 2개의 재료로부터 형성되고 통상적으로 취성이고 사실상 바람직하지 못한 화합물인 금속간 화합물을 함유할 수 있으므로, 용접부는 금속간 화합물층을 따라 파괴될 수 있다.
접합부 계면에서 야기되는 문제없이 밝은 금속과 합금 및 이종 금속과 합금을 접합하기 위한 보다 간단한 해법이 요구된다. 이 방법은 각각의 접합부에서 일관되고 예측 가능한 결과를 생성할 수 있어야 한다. 결과적인 용접부에는 금속간 화합물과 관련된 신뢰성 문제가 없어야 한다.
전술한 문제를 피하는 레이저 용접 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명의 비제한적인 실시예에 따르면, 제1 금속 부품을 제2 금속 부품에 레이저 용접하는 장치가 제공되고, 상기 장치는, 레이저 펄스 형태의 레이저 빔을 방출하는 레이저; 제1 금속 부품의 금속 표면에 대해 레이저 빔을 이동시키는 스캐너; 레이저 빔을 금속 표면 상에 포커싱하는 대물 렌즈; 및 금속 표면에 대해 레이저 빔을 이동시켜 복수 개의 포커싱된 스폿을 형성하도록 스캐너를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 장치는 제1 금속 부품에 복수 개의 용융 풀을 그리고 제2 금속 부품에 히트 스테이크를 형성하게 하는 스폿 크기와 펄스 플루언스를 갖는 레이저 펄스를 포커싱하며, 각각의 히트 스테이크는 용융 풀들의 각각 다른 용융 풀로부터 연장되고 원위 단부를 가지며, 제어기는, 용융 풀들이 중첩되게 하기에 충분히 작고, 히트 스테이크의 원위 단부들이 적어도 하나의 방향에서 서로 구별되며 분리되는 것을 보장하기에 충분히 큰 거리만큼 포커싱된 스폿을 이격시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 용접부가 2개의 이종 금속들 - 그 중 하나는 밝은 금속일 수 있음 - 로부터 형성될 수 있고, 재료와 레이저 빔 사이의 직접적인 상호 작용을 통해 형성될 수 있기 때문에 특히 매력적이다. 금속은 또한 상이한 용융점을 가질 수 있다. 결과적인 용접부는 견고하고, 반복 가능하며, 전기적으로 전도성일 수 있고, 금속간 화합물에 의해 야기되는 약화점이 없다.
본 발명은 또한 제1 금속 부품을 제2 금속 부품에 레이저 용접하는 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은, 제1 금속 부품을 제2 금속 부품 상에 위치시키는 단계; 레이저 펄스 형태의 레이저 빔을 방출하는 레이저를 제공하는 단계; 제1 금속 부품의 금속 표면에 대해 레이저 빔을 스캐닝하는 스캐너를 제공하는 단계; 레이저 펄스를 금속 표면 상에 포커싱하는 대물 렌즈를 제공하는 단계; 레이저 빔을 금속 표면에 대해 이동시키도록 스캐너를 제어하도록 된 제어기를 제공하는 단계; 제1 금속 부품에 복수 개의 용융 풀을 그리고 제2 금속 부품에 히트 스테이크를 형성하게 하는 스폿 크기와 펄스 플루언스를 갖는 레이저 펄스를 포커싱하는 단계로서, 각각의 히트 스테이크는 용융 풀들의 각각 다른 용융 풀로부터 연장되고 원위 단부를 갖는 것인 단계; 및 용융 풀들이 중첩되게 하기에 충분히 작고, 히트 스테이크의 원위 단부들이 적어도 하나의 방향에서 서로 구별되며 분리되는 것을 보장하기에 충분히 큰 거리만큼 포커싱된 스폿을 이격시키도록 제어기를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 장치 또는 방법에 의해 형성된 레이저 용접부는 자생적일 수 있다.
히트 스테이크는 그 깊이의 절반 이하인 폭을 가질 수 있다.
제1 금속 부품은 코팅될 수 있다.
제1 금속 부품은 다수의 층을 포함할 수 있다.
제2 금속 부품은 다수의 층을 포함할 수 있다.
제1 금속 부품과 제2 금속 부품은 동일한 금속으로 형성될 수 있다.
제1 금속 부품과 제2 금속 부품은 상이한 금속으로 형성될 수 있다.
제1 금속 부품은 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
제1 금속 부품은 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 니켈, 티타늄, 스테인레스강, 및 청동, 황동, 니켈-티타늄, 및 비정질 합금과 같이 상기 금속들 중 하나를 함유하는 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있다.
제1 금속 부품은 80%보다 큰 반사율을 가질 수 있다.
제1 금속 부품은 10 mJ 이하의 펄스 에너지에 노출될 때에 용융될 수 있다.
금속은 알루미늄일 수 있다.
제1 금속 부품은 구리를 포함할 수 있다. 제2 금속 부품은 니켈 도금강을 포함할 수 있다.
제1 금속 부품은 알루미늄을 포함할 수 있다. 제2 금속 부품은 강철을 포함할 수 있다.
제1 금속 부품은 용접부의 구역에서 2 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 두께는 1 mm 이하일 수 있다. 두께는 0.5 mm 이하일 수 있다.
제1 금속 부품의 영의 계수는 제2 금속 부품의 영의 계수보다 작을 수 있다.
제1 금속 부품은 제1 금속을 포함할 수 있고 제2 금속 부품은 제2 금속을 포함할 수 있으며, 제1 금속은 제2 금속보다 실질적으로 더 연성일 수 있다.
히트 스테이크는 나선형의 형태일 수 있다.
본 발명은 또한 제2 금속 부품에 용접된 제1 금속 부품을 포함하는 물품을 제공하고, 용접부는 제1 금속 부품에 복수 개의 용융 풀을 그리고 제2 금속 부품에 복수 개의 히트 스테이크를 포함하며, 각각의 히트 스테이크는 용융 풀들의 각각 다른 용융 풀로부터 연장되고 원위 단부를 갖고, 용융 풀들은 중첩되며, 히트 스테이크의 원위 단부는 서로 구별되고 분리되어 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 방법에 따라 용접된 물품을 제공한다.
물품의 예는 음료 캔, 음료 캔, 모바일 폰, 태블릿 컴퓨터, 텔레비젼, 기계류, 및 보석류 상의 탭이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 오직 일례로서 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에 사용하기 위한 장치를 도시하고;
도 2는 펄스 레이저 파형을 도시하며;
도 3은 표면 상에 포커싱된 레이저 빔을 도시하고;
도 4는 히트 스테이크를 도시하며;
도 5는 코팅으로 코팅된 제1 금속 부품을 도시하고;
도 6은 다수의 층을 포함하는 제1 금속 부품을 도시하며;
도 7은 본 발명을 따르지 않는 종래 기술의 용접부를 도시하고;
도 8은 열 영향부를 포함하는 본 발명에 따른 용접부를 도시하며;
도 9는 제2 금속 부품에 용접된 탭 형태의 제1 금속 부품을 도시하고;
도 10은 나선형 형태의 용접 궤적을 도시하며;
도 11은 개별적인 히트 스테이크를 포함하는 나산형 형태의 용접부를 도시하고;
도 12는 3개의 용접부를 이용하여 제2 금속 부품에 접합된 제1 금속 부품을 도시하며;
도 13은 펄스 플루언스 대 흡수된 에너지 밀도의 그래프를 도시하고;
도 14는 키 홀 용접부를 도시하며;
도 15는 연속적인 나선형 형태의 용접부를 도시하고;
도 16은 분리된 2개의 포커싱된 레이저 스폿을 도시하며;
도 17은 중첩된 2개의 포커싱된 레이저 스폿을 도시한다.
도 1은 제1 금속 부품(1)을 제2 금속 부품(2)에 레이저 용접하기 위한 장치를 도시하는데, 이 장치는 레이저(3), 스캐너(4), 대물 렌즈(5) 및 제어기(12)를 포함한다. 레이저(3)는 레이저 펄스(21) 형태의 레이저 빔(6)을 방출한다. 레이저 빔(6)은 광섬유 케이블(14) 및 시준 광학계(15)를 통해 스캐너(4)로 전달되는 것으로 도시되어 있다. 시준 광학계(15)는 레이저 빔(6)을 팽창 및 시준하고 스캐너(4)로 레이저 빔(6)을 입력한다. 스캐너(4)는 제1 재료 부품(1)의 금속 표면(7)에 대해 레이저 빔을 이동시키기 위한 것이다. 대물 렌즈(5)는 레이저 빔(6)을 금속 표면(7) 상에 포커싱한다. 제어기(12)는 금속 표면(7)에 대해 레이저 빔(6)을 이동시켜 금속 표면(7) 상에 복수 개의 포커싱된 스폿(16)을 형성하도록 스캐너(4)를 제어한다.
도 2를 참조하여 도시된 바와 같이, 레이저 펄스(21)는 순시 피크 출력(22), 평균 출력(23), 펄스 형상(24), 펄스 에너지(25), 펄스 폭(26), 및 펄스 반복 주파수(FR)(27)를 특징으로 할 수 있다. 금속 표면(7)과 펄스 에너지(25)의 충분한 결합이 달성되어 금속 표면(7)을 용융시키는 것을 보장하기 위해 금속 표면(7)의 반사율을 극복하기에 충분한 피크 출력(22)이 얻어질 수 있도록 레이저(1)를 선택하는 것이 중요하다.
도 3은 레이저 빔(6)을 금속 표면(7) 상에 포커싱함으로써 형성된 스폿 크기(34)를 갖는 스폿(31)을 도시한다. 광 강도(32)는 레이저 빔(6)의 단위 면적당 출력이다. 광 강도(32)는 중심에서의 피크 강도(39)로부터 1/e2 강도(33) 및 0으로 스폿(31)의 반경을 가로질러 변동한다. 스폿 크기(34)는 통상적으로 스폿(31)의 1/e2 직경으로 취해지는데, 이 직경은 광 강도(32)가 피크 강도(39)의 양측부에서 1/e2 강도(33)로 떨어지는 직경이다. 스폿(31)의 영역(35)은 통상적으로 1/e2 직경 내에서 스폿(31)의 단면적으로 취해진다.
펄스 플루언스(Pulse fluence; 36)는 표면(7) 상의 스폿(31)의 단위 면적당 에너지로 정의된다. 펄스 플루언스는 통상적으로 J/cm2 단위로 측정되며, 용접 품질이 펄스 플루언스(36)의 영향을 크게 받기 때문에 레이저 용접에 중요한 파라미터이다. 특정 용접부에 대한 최적의 펄스 플루언스(36)는 상이한 재료와 재료 두께 사이에서 변동된다. 금속 피스 부품을 용접하기 위한 최적의 펄스 플루언스(36)는 실험을 통해 결정될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 장치는 스폿 크기(34)와 펄스 플루언스(36)를 갖는 레이저 펄스(21)를 포커싱하는데, 이 레이저 펄스는 제1 금속 부품(1)에 복수 개의 용융 풀(19) 및 제2 금속 부품(2)에 히트 스테이크(17)를 형성하게 한다. 각각의 히트 스테이크(17)는 용융 풀(19)의 각각 다른 용융 풀로부터 연장되고 원위 단부(101)를 갖는다. 제어기(12)는 포커싱된 스폿(16)이 거리(18)만큼 이격되도록 스캐너(4)를 제어하는데, 상기 거리는 용융 풀(19)들이 중첩되게 하기에 충분히 작고, 히트 스테이크(17)의 원위 단부(101)들이 적어도 하나의 방향(108)에서 서로 구별되며 분리되기에 충분히 크다.
각각의 히트 스테이크(17)는 펄스(21) 중 적어도 하나에 의해 형성되며, 펄스(21)의 갯수는 펄스 플루언스(36)에 따라 좌우된다. 10 내지 100 개의 펄스(21)가 통상적으로 1 mJ의 펄스 에너지(25)를 갖는 레이저에 사용된다.
포커싱된 스폿(16)의 중심들 사이의 거리(18)는 각각의 히트 스테이크(17)의 중심들 사이의 거리에 근사할 것이다. 제어기(12)는 히트 스테이크(17)의 각각의 형성 동안 여전히 스캐너(4)가 포커싱된 스폿(16)을 유지하게 할 수 있다. 대안으로, 제어기(12)는 바람직하게는 거리(18)보다 작은 양만큼 히트 스테이크(17) 각각의 형성 동안 스캐너(4)가 포커싱된 스폿(16)을 디더링(dithering)하게 할 수 있다. 거리(18)는 통상적으로 20 ㎛ 내지 150 ㎛, 바람직하게는 40 ㎛ 내지 100 ㎛이다.
중첩하는 용융 풀(19)과 히트 스테이크(17)는 복합 용접부(100)를 형성한다. 명료성을 위해, 도 1은 포커싱된 스폿(16)을 흑색 원(16)으로서 도시하고, 용접부(100)를 3차원 묘사 내의 단면으로 도시한다. 용융 풀(19)들은 그들 사이의 경계없이 함께 용융된 것으로 도시되어 있고, 계면은 용융 풀(19)과 히트 스테이크(17) 사이에 도시되어 있다. 야금학적 연구에 따르면, 용융 풀(19)과 히트 스테이크(17) 모두는 제1 금속 부품(1) 및 제2 금속 부품(2) 모두로부터의 재료를 포함할 수 있다. 금속들의 양호한 혼합이 달성될 수 있다. 일반적으로, 용융 풀(19)과 히트 스테이크(17) 사이에는 잘 정의된 경계가 없다. 히트 스테이크(17)의 원위 단부(101)는 날카로운 점에서 종료되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 반드시 그런 것은 아니고, 원위 단부(101)는 실질적으로 곡선형일 수 있고, 1개보다 많은 단부를 갖도록 분열될 수 있다.
연속적인 포커싱된 레이저 스폿(16)은 도 16에 도시된 바와 같이 분리될 수 있어, 레이저 스폿(16)의 중심들 사이의 거리(161)는 스폿 크기(34)보다 크다. 대안으로, 연속적인 포커싱된 레이저 스폿(16)은 도 17에 도시된 바와 같이 중첩될 수 있어, 거리(161)는 스폿 크기(34)보다 작다. 도 16 및 도 17에서, 포커싱된 레이저 스폿(16)은 단일 레이저 펄스(21) 또는 다중 레이저 펄스(21)를 나타낼 수 있다.
"서로 구별되고 분리된다"는 것은 히트 스테이크(17)의 원위 단부(101)가 모든 방향에서 실질적으로 평탄한 용접부를 형성하지 않는다는 것을 의미하며, 히트 스테이크(17)는 적어도 하나의 방향(108)에서 서로 적어도 부분적으로 분리될 수 있다. 대안으로, 히트 스테이크(17)는 금속 표면(7)에 실질적으로 평행한 모든 방향에서 서로 적어도 부분적으로 분리될 수 있다. "용접부"라는 것은 용접 또는 접합에 의해 이루어진 연결을 의미한다.
실드 가스(106)는 용접부(100)의 산화를 방지하거나 용접부(100)를 청결하게 유지하기 위해 가스 공급원(107)으로부터 용접부(100) 위로 적용될 수 있다. 실드 가스(106)는 아르곤, 헬륨, 질소, 또는 레이저 용접에 일반적으로 사용되는 기타 가스일 수 있다. 실드 가스(106)는 전술한 가스들의 혼합물일 수 있다. 가스 공급원(107)은 가스통, 노즐, 및 유동 제어 조절기를 포함할 수 있다.
용접부(100)는 히트 스테이크(17)의 원위 단부(101)에 실질적으로 삐죽삐죽한 표면을 갖는다. 이는 용접부의 평탄한 원위 단부가 유리하다고 생각되는 종래의 용접 실시와 직접적으로 대비되는 점이다. 평탄하지 않은 용접선은 종래 기술에서 우려의 원인으로 여겨진다.
장치는 바람직하게는 레이저 펄스(21)가 스캐너(4)를 제어하는 데에 사용되는 제어 신호(13)와 동기되도록 한다. 이는 제어기(12)로의 동기화 신호를 사용하거나, 제어기가 또한 레이저(3)를 제어하도록 제어기(12)를 조정함으로써 달성될 수 있다.
스캐너(4)는 도 1에 도시된 갈바노미터 스캔 헤드일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 스캐너(4)는 이동 가능한 2차원 또는 3차원 병진 스테이지, 또는 로봇 아암일 수 있다. 스캐너(4)는 레이저 빔(6)을 제1 방향(10)으로 이동시키는 제1 미러(8), 및 레이저 빔(6)을 제2 방향(11)으로 스캐닝하는 제2 미러(9)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 제1 미러(8) 및 제2 미러(9)는 통상적으로 갈바노미터(galvanometer)(도시 생략)에 부착된다. 스캐너(4) 및 대물 렌즈(5)는 당업자에게 공지된 처리 광학계의 일부일 수 있다. 처리 광학계는 타일 미러(tiled mirror), 추가의 포커스 제어 및/또는 빔 형성 광학계와 같은 추가적인 광학 요소를 가질 수 있다.
레이저(3)는 섬유 레이저, 고체 로드 레이저, 고체 디스크 레이저, 또는 이산화탄소 레이저와 같은 기체 레이저일 수 있다. 레이저(3)는 나노초 레이저일 수 있다. 레이저(3)는 바람직하게는 이테르븀 도핑된 섬유 레이저, 에르븀 도핑된 (또는 에르븀 이테르븀 도핑된) 섬유 레이저, 홀뮴 도핑된 섬유 레이저, 또는 툴륨 도핑된 섬유 레이저와 같은 희토류 도핑된 나노초 펄스 섬유 레이저이다. 이들 레이저는 각각 1 ㎛, 1.5 ㎛, 2 ㎛, 및 2 ㎛ 파장 윈도우의 레이저 복사선을 방출한다. 나노초 펄스 레이저라는 것은 1 ns 내지 1000 ns 범위의 펄스 폭(26)을 갖는 펄스를 방출할 수 있는 레이저를 의미한다. 그러한 레이저는 또한 더 짧은 펄스 및 더 긴 펄스를 방출할 수 있고, 또한 연속파 복사선을 방출할 수 있다. 그러한 레이저는 용접에 통상적으로 사용되는 종래의 밀리초 레이저와 상이하다. 밀리초 레이저는 일반적으로 단일 펄스를 방출함으로써 용접부를 형성할 수 있다.
이하, 본 발명에 따르고 제1 금속 부품(1)을 제2 금속 부품(2)에 레이저 용접하기 위한 방법을 오직 일례로서 도 1을 참조하여 설명할 것이다. 방법은 제1 금속 부품(1)을 제2 금속 부품(2) 상에 위치시키는 단계; 레이저 펄스(21) 형태의 레이저 빔(6)을 방출하는 레이저(3)를 제공하는 단계; 제1 금속 부품(1)의 금속 표면(7)에 대해 레이저 빔(6)을 이동시키는 스캐너(4)를 제공하는 단계; 금속 표면(7) 상에 레이저 빔(6)을 포커싱하는 단계; 스캐너(4)가 금속 표면(7)에 대해 레이저 빔(6)을 이동시키도록 스캐너(4)를 제어하도록 된 제어기(12)를 제공하는 단계; 제1 금속 부품(1)에 복수 개의 용융 풀(19)을 그리고 제2 금속 부품(2)에 히트 스테이크(17)를 형성하게 하는 스폿 크기(34)와 펄스 플루언스(36)를 갖는 레이저 펄스(21)를 포커싱하도록 장치를 구성하는 단계 - 각각의 히트 스테이크(17)는 용융 풀(19)들의 각각 다른 용융 풀로부터 연장되고 원위 단부(101)를 가짐 -; 용융 풀(19)들이 중첩되게 하기에 충분히 작고, 히트 스테이크(17)의 원위 단부(101)들이 적어도 하나의 방향(108)에서 서로 구별되며 분리되는 것을 보장하기에 충분히 큰 거리(18)만큼 포커싱된 스폿(16)을 이격시키도록 제어기를 조정하는 단계를 포함한다.
방법은 실드 가스(106)와 가스 공급원(107)을 제공하는 단계, 및 용접부(100) 위에 실드 가스(106)를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 실드 가스(106)는 아르곤, 헬륨, 질소, 또는 레이저 용접에 일반적으로 사용되는 기타 가스일 수 있다. 실드 가스(106)는 전술한 가스들의 혼합물일 수 있다. 가스 공급원(107)은 가스통, 노즐, 및 유동 제어 조절기를 포함할 수 있다.
이하에서, 제1 금속 부품(1)이 처리되는 온도에서 레이저(3)의 방출 파장(102)에서 80%보다 큰 반사율을 갖는 금속을 의미하는 "반사성 금속"에 대해 종종 언급할 것이다.
본 발명의 장치 또는 방법에 의해 형성된 레이저 용접부(100)는 자생적(autogenous)일 수 있으며, 즉 용접부를 형성하기 위해 제1 금속 부품(1) 및 제2 금속 부품(2) 이외의 다른 재료가 추가되지 않는다.
제1 금속 부품(1)은 용접부(100)의 구역에서 5 mm 이하의 두께(104)를 가질 수 있다. 두께(104)는 2 mm 미만일 수 있다. 두께(104)는 1 mm 미만일 수 있다. 두께(104)는 0.5 mm 미만일 수 있다. 제2 금속 부품(2)은 용접부(100)의 구역에서 두께(105)를 가질 수 있다. 두께(105)는 적어도 100 ㎛일 수 있다. 두께(105)는 0.5 mm 미만일 수 있다.
도 4를 참조하면, 히트 스테이크(17)는 그 깊이(42)의 절반 이하인 폭(41)을 가질 수 있다. 이는 히트 스테이크(17)가 더 관통하게 하여 제1 금속 부품(1)이 제2 금속 부품(2)을 더 잘 파지하게 할 수 있기 때문에 유리하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 금속 부품(1)은 코팅(52)으로 코팅된 금속 부품(51)을 포함할 수 있다. 코팅(52)은 니켈 또는 크롬과 같은 금속 도금일 수 있거나, 양극 산화와 같은 프로세스에 의해 형성된 화학적으로 유도된 코팅일 수 있다. 코팅(52)은 폴리머 코팅일 수 있다.
제1 금속 부품(1)은 도 6을 참조하여 도시된 바와 같이 다수의 층(61)을 포함할 수 있다. 다수의 층(61)은 동일한 금속의 폴딩된 시트, 동일한 금속의 층, 또는 상이한 금속의 층일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제2 금속 부품(2)은 다수의 층(62)을 포함할 수 있다. 다수의 층(62)은 동일한 금속의 폴딩된 시트, 동일한 금속의 층, 또는 상이한 금속의 층일 수 있다. 층은 층(62)과 동일한 금속, 또는 상이한 금속을 포함할 수 있다. 용접부(100)는 제1 금속 부품(1)을 제2 금속 부품(2)에 접합시키는 것으로 도시되어 있다. 용접부(100)는 제2 금속 부품(2)을 부분적으로 관통하는 것으로 도시되어 있다.
도 7은 예컨대 100 mJ 이상의 단일 고에너지 펄스를 사용하는 녹색 레이저에 의한 레이저 용접을 비롯하여 종래 기술을 사용하는 제1 금속 부품(1)과 제2 금속 부품(2) 사이의 레이저 용접부(70)를 도시한다. 용접부(70)는 도 1을 참조하여 도시된 개별적인 용융 풀(19) 플러스 그와 관련된 히트 스테이크(17)의 질량보다 훨씬 큰 질량을 가지며, 그에 따라 냉각하는 데 더 긴 시간이 걸린다. 이로 인해, 용접 풀(75)에서 금속 혼합, 관련 경계층(71)의 형성, 및 열에 의해 영향을 받지만 금속이 유동되지 않은 용접부(70) 주위의 영역, 소위 열 영향부(HAZ; heat affected zone)(72)가 초래된다. 열 영향부(72)의 기계적 특성은 열적 열처리의 결과로서 실질적으로 열화될 수 있는데, 이 열처리는 일반적으로 최소화되어야 한다. 열 영향부(72)는 제1 금속 부품(1)의 상부면(73) 및 제2 금속 부품(2)의 바닥면(74) 모두에서 일반적으로 가시적이다(예컨대, 산으로 에칭한 후에).
경계층(71)은, 강철을 강철에 용접할 때, 그레인 계면을 따라 탄소 형성을 초래할 수 있어, 용접부(100)를 파손시키는 통로를 제공할 수 있다. 유사하게, 이종 금속들을 용접할 때에, 경계층(71)은 융해에서 고형화까지의 냉각 시간을 반영하는 그레인 구조를 갖는 금속간 화합물을 포함할 수 있다. 그러한 금속간 화합물은 사실상 취성인 경우가 많고, 이에 따라 용접부(70)에 약화점을 제공한다. 따라서, 큰 경계층(71) 및 열 영향부(72)의 존재는 유사한 금속들의 용접이나 이종 금속들의 용접에서도 바람직하지 않다.
용접부(70)가 유사한 금속 또는 이종 금속으로 형성되더라도, 용접 풀(75)을 포함하는 재료의 기계적 특성은 제1 금속 부품(1)과 제2 금속 부품(2)을 포함하는 베이스 재료의 특성보다 약하게 된다. 열 영향부(72)는 또한 제1 금속 부품(1) 및 제2 금속 부품(2)의 외관 또는 화학적 조성에 영향을 미치는 경우에 문제가 된다.
박판 금속을 용접할 때에 금속간 화합물층(71) 및 열 영향부(72)와 관련된 문제가 증가한다. 용접부가 냉각되는 데에 걸리는 시간과 관련된 다른 문제는 제1 금속 부품(1) 및 제2 금속 부품(2) 상의 폴리머와 같은 코팅에 대한 손상을 포함한다.
도 8은 도 1에 도시된 용접부(100)의 평면도를 도시한다. 열 영향부(81)는 통상적으로 가시적이다(가능하게는 화학 에칭 후에). 그러나, 도 2 및 도 3을 참조하여 도시된 레이저(1) 및 레이저 펄스 파라미터의 적절한 선택에 의해, 일반적으로 바닥면에서 보이는 열 영향부는 존재하지 않는다. 이는 히트 스테이크(17)가 각각 용접부(70)보다 현저히 작은 질량을 가지며, 이에 따라 보다 신속하게 냉각되기 때문이다. 유사하게, 히트 스테이크(17)를 둘러싸는 금속간 화합물층(71)의 증거가 거의 없거나 전혀 없다. 제2 금속 부품(2)을 통해 연장되는 금속간 화합물층 및 열 영향부가 없다는 것은 종래 기술의 용접 기술에 비해 큰 이점을 제공한다.
도 9에 도시된 제2 금속 부품(2)은 코팅(93)으로 코팅된 금속 부품(92)을 포함할 수 있다. 코팅(93)은 니켈 또는 크롬과 같은 금속 도금일 수 있거나, 양극 산화와 같은 화학적으로 유도된 코팅일 수 있다. 제1 금속 부품(1)은 음료 캔에서 발견되는 것과 같은 탭(91)일 수 있다. 탭(91)은 용접부(100)를 이용하여 제2 금속 부품(2)에 용접된 것으로 도시되어 있다.
음료 캔은 종종 두께가 250 ㎛ 미만인 알루미늄 박판으로 제조된다. 음료 캔에서, 코팅(93)은 용접부(100)가 형성되기 전에 일반적으로 도포되는 폴리머 코팅일 것이다. 용접부(100)를 형성하는 방법이 코팅(93)을 열화시키지 않는 것이 중요하다. 본 발명의 장치 및 방법은, 종래 기술의 용접부와 비교하여 제2 금속 부품(2)에서 발생되는 열이 적기 때문에, 도 1을 참조하여 도시된 히트 스테이크(17)에 의해 이를 달성한다.
다시, 도 1을 참조하면, 제1 금속 부품(1)과 제2 금속 부품(2)은 동일한 금속으로 형성될 수 있다. 금속은 알루미늄 또는 구리, 또는 그 합금일 수 있다. 대안적으로, 제1 금속 부품(1)과 제2 금속 부품(2)은 상이한 금속으로 형성될 수 있다.
제1 금속 부품(1)은 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
제1 금속 부품은 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 니켈, 티타늄, 스테인레스강, 및 청동, 황동, 니켈-티타늄, 및 비정질 합금과 같이 상기 금속들 중 하나를 함유하는 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있다.
제1 금속 부품(1)은 레이저(3)에 의해 방출된 파장(λ)에서 80%보다 큰 반사율(103)을 가질 수 있다. 도 1은 1060 nm인 파장(102)을 도시하고, 이는 비제한적으로 의도된다. 이테르븀 펄스 섬유 레이저는 레이저(3)로서 사용하기에 특히 매력적이고, 이들 레이저는 약 1030 nm 내지 약 1100 nm의 파장 범위에서 방출한다. 레이저(3)는 약 1550 nm에서 각각 방출하는 에르븀 도핑된 섬유 레이저 또는 에르븀 이테르븀 공동 도핑된 섬유 레이저이거나, 약 2000 nm에서 방출하는 홀뮴 또는 툴륨 도핑된 섬유 레이저일 수 있다.
1500 nm 및 2000 nm에서 방출되는 레이저를 사용하면 특정 용례에서 중요한 안구 안전상의 이점이 제공된다. 또한, 근적외선 파장에서 방출하는 많은 다른 레이저 유형이 있다.
스폿 크기(34)는 25 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 30 ㎛ 내지 60 ㎛일 수 있다.
제1 금속 부품(1)은 10 mJ 이하의 펄스 에너지(25)에 노출될 때에 용융될 수 있다. 펄스 에너지(25)는 4 mJ 이하일 수 있다. 펄스 에너지(25)는 1 mJ 이하일 수 있다. 펄스 에너지(25)는 100 μJ 이하일 수 있다. 펄스 에너지(25)는 10 μJ 이하일 수 있다. 더 두꺼운 재료는 더 얇은 재료보다 큰 펄스 에너지(25)를 필요로 한다.
제1 금속 부품(1)은 구리를 포함할 수 있다. 제2 금속 부품(2)은 니켈 도금강을 포함할 수 있다.
제1 금속 부품(1)은 강철을 포함할 수 있다. 제2 금속 부품(2)은 강철을 포함할 수 있다.
제1 금속 부품(1)은 제2 금속 부품(2)의 영의 계수보다 작은 영의 계수에 의해 정의될 수 있다.
제1 금속 부품(1)은 제1 금속을 포함할 수 있고 제2 금속 부품(2)은 제2 금속을 포함할 수 있다. 제1 금속의 영의 계수는 제2 금속 부품의 영의 계수보다 작을 수 있다. 유리하게는, 제1 금속은 제2 금속보다 실질적으로 더 연성일 수 있다. 이는, 히트 스테이크(17)가 파괴를 초래하는 금속 피로에 더 내성을 갖기 때문에 용접부(100)가 반복적으로 스트레인을 받는 경우에 중요한 이점을 갖는다.
히트 스테이크(17)는 바람직하게는 용접부(100)의 전단 강도를 증가시키기 위해 직선이 아닌 선으로 형성된다. 예컨대, 히트 스테이크(17)는 도 10을 참조하여 도시된 바와 같이 나선형(110)의 형태로 형성될 수 있다. 나선형(110)은 제어기(2)가 나선형(110)의 형태인 궤적(117)에서 레이저 빔을 이동시킴으로써 형성되고, 궤적은 나선형의 내측에 있는 것으로 도시된 제1 지점(111)과, 나선형의 외측에 있는 것으로 도시된 제2 지점(112)을 갖는다. 나선형 궤적(117)은 제1 지점(1)에서 시작하는 것이 일반적으로 바람직하지만, 대안으로 제2 지점(112)으로부터 시작할 수 있다. 도 11은 결과적인 용접부(116)를 통한 단면을 도시하며, 이 단면은 도 1을 참조하여 도시된 중첩하는 용융 풀(19) 아래에 있다. 도 16을 참조하여 도시된 바와 같이, 연속적인 포커싱된 스폿(16)은 스폿 크기(34)보다 큰 거리(161)만큼 분리된다. 레이저(3)는 각각의 포커싱된 스폿(16) 상에서 적어도 한번, 바람직하게는 10 내지 100회 펄스화되는 것이 바람직하다. 이 수단에 의해, 용접부(116)의 각 부분에 매우 정밀하게 주입되는 열의 양을 제어할 수 있어, 용접부(116)의 강도를 최적화할 수 있다. 제1 지점(111) 또는 제2 지점(112)로부터 시작할지 여부의 선택은 결과적인 용접부(116)의 강도로부터 실험적으로 결정될 수 있다. 도 11에서, 거리(113)는 2개의 히트 스테이크(17)의 중심들 사이에 도시되고, 거리(114)는 인접한 나선형 아암(115)의 중심들 사이에 도시되어 있다. 거리(113)는 100 ㎛ 미만, 75 ㎛ 미만, 바람직하게는 50 ㎛ 미만일 수 있다. 거리(114)는 250 ㎛ 미만, 200 ㎛ 미만, 150 ㎛ 미만, 바람직하게는 100 ㎛ 미만일 수 있다. 거리(113, 114)를 최적화하는 것은 박리 강도, 전단 강도, 및 전기 접촉 저항과 같은 물리적 파라미터를 측정함으로써 실험적으로 달성될 수 있다.
도 12는 3개의 용접부(100)에 의해 제2 금속 부품(2)에 용접된 제1 금속 부품(1)을 도시한다. 용접부(100)는 도 11을 참조하여 도시된 나선형 용접부(116)일 수 있다. 용접부(100)는 0.5 내지 2 mm, 바람직하게는 0.75 내지 1.5 mm의 직경(122)을 가질 수 있다. 복수 개의 용접부(100)를 이용함으로써, 더 큰 강도와 강성이 얻어진다.
도 13은 펄스 플루언스(36) 및 흡수된 에너지 밀도(133)의 그래프를 도시하는데, 흡수된 에너지 밀도(133)는 레이저 펄스(21)에 의한 단위 표면적당 제1 금속 부품(1)과 제2 금속 부품(2)에 의해 흡수된 총 펄스 에너지(25)이다. 도 1을 참조하여 도시된 용접부(100)를 개시하기 위하여, 제1 펄스 플루언스 문턱값(131)과 적어도 동일한 펄스 플루언스(36)를 이용하는 것이 필요하다. 이것은 금속 표면(7)에 대한 레이저 빔(6)의 결합 및 금속 표면(7)의 용융을 개시하기 위한 것이다. 일단 금속 표면(7)이 용융하기 시작하면, 나머지 펄스(21)는 적어도 제2 펄스 플루언스 문턱값(132)과 동일한 펄스 플루언스를 가져야 한다. 제2 펄스 플루언스 문턱값(132)은 제1 펄스 플루언스 문턱값(131)보다 실질적으로 작을 수 있다. 높은 반사율, 즉 80%보다 큰 레이저 빔(6)의 파장에서의 반사율을 갖는 제1 금속 부품(1)의 경우, 제2 펄스 플루런스 문턱값(132)은 제 1 펄스 플루언스 문턱값(131)보다 2배 내지 10배 작을 수 있다. 각각의 펄스(121)가 흡수됨에 따라, 펄스는 흡수된 에너지 밀도(133)에 기여한다. 포커싱된 지점(16) 각각에서 흡수된, 흡수된 에너지 밀도(133)는, 레이저 스테이크(17)가 제2 금속 부품(2)을 관통하기 시작하는 제1 에너지 밀도 문턱값(134)과 적어도 동일하지만, 용접부(100)가 허용 불가능하게 취성이 되는 제2 에너지 밀도 문턱값(135)보다는 작아야 한다. 도 2 및 도 3을 참조하여 도시된 펄스 파라미터, 펄스의 갯수, 및 포커싱된 스폿(16) 사이의 거리(18)를 변경시킴으로써, 용접부(100)의 제어성이 좋아지고, 또한 종래 기술에 비해 용접부 형성에 대한 제어, 및 그에 따른 기계적 특성이 개선된다.
도 14는 제1 금속 부품(1)을 제2 금속 부품(2)에 접합시키는 키 유지 용접부(140)를 도시한다. 이 프로세스에서, 레이저 빔(6)은 용융 금속(143)을 형성하기 위해 제1 및 제2 금속 부품(1, 2)을 용융시킬 뿐만 아니라 증기(도시 생략)를 생성시킨다. 소산하는 증기는 용융 금속(143)에 압력을 가하고 부분적으로 용융 금속을 변위시킨다. 그 결과, 키 홀(key hole; 141)이라고 하는 깊고 좁은 증기로 채워진 홀이 생긴다. 그러한 프로세스는 본 발명의 장치 및 방법에서 히트 스테이크(17)의 형성에 수반될 수 있다.
키 홀(141)은 용융 금속(143)에 의해 둘러싸이고, 레이저 빔(6)이 스캐닝되는 방향(142)으로 레이저 빔(6)과 함께 이동한다. 용융 금속(143)은 키 홀(141)이 이동함에 따라 키 홀 뒤쪽에서 고형화되어 용접부 이음매(144)를 형성한다. 용접부 이음매(144)는 깊고 좁다. 용접부 깊이(145)는 도 15를 참조하여 도시된 용접부 폭(151)보다 최대 10배 클 수 있다. 레이저 빔(6)은 레이저 빔이 여러 번 반사될 때에 키 홀(141)에서 높은 효율로 흡수된다.
본 발명의 장치 및 방법은, 도 15를 참조하여 도시된 바와 같이, 히트 스테이크(17)가 연속적인 용접부(156)를 형성하는 경우까지 확장된다. 여기서, 제어기(12)는 레이저 빔(6)을 도 10을 참조하여 도시된 나선형(110)으로 스캐닝하도록 스캐너(4)를 제어하여, 도 17을 참조하여 도시된 연속적인 포커싱된 스폿(16)이 중첩된다. 포커싱된 스폿(16)의 결과로서, 나선형 아암(115)의 방향으로 연속적이지만 반경 방향(157)에서는 적어도 부분적으로 분리되어 있는 히트 스테이크(17)가 생긴다. 반경 방향(157)은 도 1에서의 방향(108)일 수 있다. 도 1의 단면에 의해 도시된 바와 같이, 용융 풀(19)이 중첩되는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 12를 참조하여 도시된 용접부(100)는 도 15의 연속적인 용접부(156)일 수 있다. 용접부(100)에는 도 14를 참조하여 설명된 키 홀(141)이 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 방법을 도 1을 참조하여 설명된 장치 및 방법과 아래에 기술되는 비제한적인 예를 참조하여 설명한다. 레이저(3)는 영국 사우스앰프톤 소재의 SPI Lasers UK Ltd사에 의해 제조된 나노초 이테르븀 도핑된 섬유 레이저인 모델 SPI G4 70EP-Z이다. 레이저(3)는 도 2에 도시된 레이저 파라미터, 즉 피크 출력(22), 평균 출력(23), 펄스 형상(24), 펄스 에너지(25), 펄스 폭(26), 및 펄스 반복 주파수(FR)(27)에 관해 우수한 제어를 갖는 마스터 발진기 출력 증폭기이다. 스캐너(4)는 독일 뮌헨 소재의 Raylase사에 의해 제조된, 10 mm 빔 어퍼처(도시 생략)를 갖는 갈바노미터-스캐너 모델 Super Scan II이다. 제어기(12)는, 독일 뮌헨 소재의 SCAPS GmbH사에 의해 인가된 SCAPS 스캐너 애플리케이션 소프트웨어가 사용되어 레이저 빔(6)을 조종하기 위한 스캐너(4)용 코드를 프로그래밍, 작동, 및 저장하는 윈도우 8 운영 시스템이 탑재된 데스크탑 컴퓨터를 포함한다. 렌즈(5)는 163 mm 초점 길이의 F-θ 렌즈이다. 시준기(15)는 75 mm의 초점 길이를 갖는다. 렌즈(5), 시준기(15), 및 스캐너(4)는 레이저 빔(6)을 형성하고 제1 금속 부품(1)의 표면(7) 위로 병진시키도록 구성되는데, 포커싱된 스폿(16)은 40 ㎛의 스폿 크기(34) 및 1.256 x 10-5 cm2의 면적(35)을 갖는다.
예 1
도 12를 참조하면, 제1 금속 부품(1)은 150 ㎛ 두께의 구리 등급 C110이고, 제2 금속 부품(2)은 500 ㎛ 두께의 알루미늄 등급 5052이다. 피크 출력(22), 펄스 형상(24), 펄스 에너지(25), 펄스 폭(26), 및 펄스 플루언스(36)를 결정하기 위한 실험에 이어서, 레이저 빔(6)을 금속 표면(7) 위에서 50 mm/s의 선형 속도로 그리고 0.7 ㎛(중심 대 중심으로 측정됨)의 연속적인 포커싱된 스폿(16) 사이의 거리(161)(도 17을 참조하여 도시됨)를 두고 스캐닝하는 것이 결정되었다. 이는 70 kHz의 펄스 반복 주파수(27)에 대응한다. 이어서, 적절한 제어 파라미터가 제어기(12) 및 이에 따라 설정되는 레이저(3)에 공급된다. 레이저 빔(6)은 70 kHz의 펄스 반복 주파수(27)에서 반복적으로 펄스화되고, 도 10을 참조하여 도시된 나선형(110)으로 금속 표면(7) 위에 스캐닝된다. 나선형은 50 mm/s의 선형 속도로 형성된다. 나선형(110)의 총 길이는 15.8 mm이고, 제1 지점(111)으로부터 제2 지점(112)까지 형성되었다. 용접부(100)의 직경(122)은 1 mm였다. 펄스 폭(26)은 반치전폭(FWHM)에서 115 ns이고 순간 피크 출력(22)의 10%에서 520 ns이었다. 총 펄스 에너지(25)는 1 mJ이었고 평균 출력(23)은 70 W이었으며 피크 출력(22)은 5 kW이었다. 각각의 레이저 펄스(21)는 3.98 x 10+ 8 W/cm2의 피크 출력 강도를 갖고 펄스 플루언스(36)는 79.6 J/cm2이었다. 실드 가스 혼합물(106)은 50%의 아르곤과 50%의 헬륨으로 이루어지고 용접부(100) 위의 6 mm 직경의 구리 노즐(107)로부터 시간당 10 입방 피트로 유동 제어 조절기를 통해 공급되었다. 형성된 용접부(100)는 도 15에 도시된 유형이다. 히트 스테이크(17)는 나선형을 따라 연속적인 선을 형성하고, 도 1에 도시된 방향(108)에 대응하게 나선형을 가로질러 반경 방향(157)으로 적어도 부분적으로 분리된다. 용접 풀(19)은 용접부(100)의 전체 표면적에 걸쳐 연속적이지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 용접부(100)의 표면은 평탄하지 않다. 용접부(100)를 관찰하면 그 상부면(103)에 알루미늄 착색이 나타났으며, 이는 금속들이 용접부에서 혼합되었음을 나타낸다. 용접부(100)는 그 크기에 비해 매우 강한 것으로 관찰되었다.
예 2
도 12를 참조하면, 제1 금속 부품(1)은 150 ㎛ 두께의 구리 등급 C110이고, 제2 금속 부품(2)은 또한 150 ㎛ 두께의 구리 등급 C110이다. 실험 후에, 동일한 프로세스 파라미터가 예 1을 참조하여 설명된 바와 같이 사용될 수 있다고 결정되었다. 결과적인 용접부는 그 크기에 비해 매우 강한 것으로 관찰되었다.
예 3
도 12를 참조하면, 제1 금속 부품(1)은 250 ㎛ 두께(104)의 스테인레스강 등급 304이고, 제2 금속 부품(2)은 250 ㎛ 두께(105)의 스테인레스강 등급 304이다. 피크 출력(22), 펄스 형상(24), 펄스 에너지(25), 펄스 폭(26), 및 펄스 플루언스(36)를 결정하기 위한 실험에 이어서, 레이저 빔(6)을 금속 표면(7) 위에서 225 mm/s의 선형 속도로 그리고 0.0225 ㎛(중심 대 중심으로 측정됨)의 연속적인 포커싱된 스폿(16) 사이의 거리(161)(도 17을 참조하여 도시됨)를 두고 스캐닝하는 것이 결정되었다. 이는 1 MHz의 펄스 반복 주파수(27)에 대응한다. 이어서, 적절한 제어 파라미터가 제어기(12) 및 이에 따라 설정되는 레이저(3)에 공급된다. 레이저 빔(6)은 1 MHz의 펄스 반복 주파수(27)에서 반복적으로 펄스화되고, 도 10을 참조하여 도시된 나선형(110)으로 금속 표면(7) 위에 스캐닝된다. 나선형은 225 mm/s의 선형 속도로 형성된다. 나선형(110)은 제1 지점(111)으로부터 제2 지점(112)까지 형성되었다. 용접부(100)의 직경(122)은 1 mm였다. 펄스 폭(26)은 반치전폭(FWHM)에서 9 ns이고 순간 피크 출력(22)의 10%에서 9 ns이었다. 총 펄스 에너지(25)는 7 μJ이었고 평균 출력(23)은 70 W이었으며 피크 출력(22)은 8 kW이었다. 각각의 레이저 펄스(21)는 6.36 x 10+ 8 W/cm2의 피크 출력 강도를 갖고 펄스 플루언스(36)는 5.6 J/cm2이었다. 실드 가스 혼합물(106)은 50%의 아르곤과 50%의 헬륨으로 이루어지고 용접부(100) 위의 6 mm 직경의 구리 노즐(107)로부터 시간당 10 입방 피트로 유동 제어 조절기를 통해 공급되었다. 형성된 용접부(100)는 도 15에 도시된 유형이다. 히트 스테이크(17)는 나선형을 따라 연속적인 선을 형성하고, 도 1에 도시된 방향(108)에 대응하게 나선형을 가로질러 반경 방향(157)으로 적어도 부분적으로 분리된다. 용접 풀(19)은 용접부(100)의 전체 표면적에 걸쳐 연속적이지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 용접부(100)의 표면은 평탄하지 않다. 상이한 파라미터가 사용되기 때문에, 용접부(100)는 금속들의 우수한 혼합과 함께 종래의 랩 용접부(lap weld)와 유사하지만, 열 영향부(72)는 거의 무시할 정도이다(도 7을 참조하여 도시됨). 그러나, 연속적인 히트 스테이크(17)가 용접부로부터 연장되어, 용접부(100)의 반경(157)을 가로질러 도 1에 도시된 바와 같은 불균일한 표면이 초래된다. 그러나, 용접부(100)로부터 히트 스테이크(17)의 연장은 예 1 및 예 2의 구리 알루미늄 용접부 및 구리 구리 용접부에 대해 각각 관찰된 것보다 실질적으로 작다. 용접부(100)는 그 크기에 비해 매우 강한 것으로 관찰되었다.
첨부 도면을 참조하여 전술한 본 발명의 실시예는 단지 일례로서 제공되었으며, 성능을 향상시키기 위해 변형과 부가적인 단계 및 구성요소가 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도면에 도시된 개별적인 구성요소는 그 도면에서 사용하도록 제한되지 않고, 다른 도면 및 본 발명의 모든 양태에서 사용될 수 있다. 본 발명은 전술한 특징들을 단독으로 또는 임의의 조합으로 취한 것까지 확장된다.

Claims (31)

  1. 제1 금속으로 이루어진 제1 금속 부품을 제1 금속과 다른 제2 금속으로 이루어진 제2 금속 부품에 레이저 용접하는 레이저 용접 장치로서,
    레이저 펄스 형태의 레이저 빔을 방출하는 레이저;
    제1 금속 부품의 금속 표면에 대해 레이저 빔을 이동시키는 스캐너;
    레이저 펄스를 금속 표면 상에 포커싱하는 대물 렌즈; 및
    금속 표면에 대해 레이저 빔을 이동시켜 복수 개의 포커싱된 스폿을 형성하도록 스캐너를 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 레이저 용접 장치는 제1 금속 부품에 복수 개의 용융 풀을 그리고 제2 금속 부품에 히트 스테이크(heat stake)를 형성하게 하는 스폿 크기와 펄스 플루언스(pulse fluence)를 갖는 레이저 펄스를 포커싱하도록 구성되며,
    각각의 히트 스테이크는 용융 풀들 중 각각 다른 용융 풀로부터 연장되고 원위 단부를 가지며,
    제어기는, 스캐너를 이동시켜, 용융 풀들이 중첩되게 하기에 충분히 작고 히트 스테이크의 원위 단부들이 적어도 하나의 방향에서 서로 구별되며 분리되는 것을 보장하기에 충분히 큰 거리만큼 포커싱된 스폿들을 이격시키도록 구성되며,
    상기 레이저는 1 ns 내지 1000 ns 범위의 펄스 폭을 갖는 펄스를 방출할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 스폿 크기는 25 ㎛ 내지 100 ㎛인 것인 레이저 용접 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스폿 크기는 30 ㎛ 내지 60 ㎛인 것인 레이저 용접 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 레이저는 10 mJ 이하의 펄스 에너지를 제공하도록 구성되는 것인 레이저 용접 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 펄스 에너지는 1 mJ 이하인 것인 레이저 용접 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레이저는 포커싱된 스폿 상에 10 내지 100개의 펄스를 제공하도록 구성되는 것인 레이저 용접 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속 부품은 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 니켈, 티타늄, 스테인레스강, 청동, 황동, 및 니켈-티타늄을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 것인 레이저 용접 장치.
  9. 제1 금속으로 이루어진 제1 금속 부품을 제1 금속과 다른 제2 금속으로 이루어진 제2 금속 부품에 레이저 용접하는 레이저 용접 방법으로서,
    제1 금속 부품을 제2 금속 부품 상에 위치시키는 단계;
    레이저 펄스 형태의 레이저 빔을 방출하는 레이저를 제공하는 단계;
    제1 금속 부품의 금속 표면에 대해 레이저 빔을 스캐닝하는 스캐너를 제공하는 단계;
    레이저 펄스를 금속 표면 상에 포커싱하는 대물 렌즈를 제공하는 단계;
    레이저 빔을 금속 표면에 대해 이동시키도록 스캐너를 제어하도록 된 제어기를 제공하는 단계;
    제1 금속 부품에 복수 개의 용융 풀을 그리고 제2 금속 부품에 히트 스테이크를 형성하게 하는 스폿 크기와 펄스 플루언스를 갖는 레이저 펄스를 포커싱하는 단계로서, 각각의 히트 스테이크는 용융 풀들 중 각각 다른 용융 풀로부터 연장되고 원위 단부를 갖는 것인 단계; 및
    용융 풀들이 중첩되게 하기에 충분히 작고 히트 스테이크의 원위 단부들이 적어도 하나의 방향에서 서로 구별되며 분리되는 것을 보장하기에 충분히 큰 거리만큼 포커싱된 스폿을 이격시키도록 제어기를 조정하는 단계
    를 포함하고, 상기 레이저는 1 ns 내지 1000 ns 범위의 펄스 폭을 갖는 펄스를 방출할 수 있는 것인 레이저 용접 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서, 상기 스폿 크기는 25 ㎛ 내지 100 ㎛인 것인 레이저 용접 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 스폿 크기는 30 ㎛ 내지 60 ㎛인 것인 레이저 용접 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 레이저는 10 mJ 이하의 펄스 에너지를 제공하도록 구성되는 것인 레이저 용접 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 펄스 에너지는 1 mJ 이하인 것인 레이저 용접 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 레이저는 포커싱된 스폿 상에 10 내지 100개의 펄스를 제공하도록 구성되는 것인 레이저 용접 방법.
  16. 제9항에 있어서, 레이저 용접부는 자생적(autogenous)인 것인 레이저 용접 방법.
  17. 제9항에 있어서, 상기 히트 스테이크는 그 깊이의 절반 이하인 폭을 갖는 것인 레이저 용접 방법.
  18. 제9항에 있어서, 상기 제1 금속 부품은 코팅되는 것인 레이저 용접 방법.
  19. 제9항에 있어서, 상기 제1 금속 부품은 다수의 층을 포함하는 것인 레이저 용접 방법.
  20. 제9항에 있어서, 상기 제2 금속 부품은 다수의 층을 포함하는 것인 레이저 용접 방법.
  21. 제9항에 있어서, 상기 제1 금속 부품과 제2 금속 부품은 상이한 금속으로 형성되는 것인 레이저 용접 방법.
  22. 제9항에 있어서, 상기 제1 금속 부품은 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 니켈, 티타늄, 스테인레스강, 청동, 황동, 및 니켈-티타늄을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 것인 레이저 용접 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1 금속 부품은 알루미늄을 포함하고 제2 금속 부품은 강철을 포함하는 것인 레이저 용접 방법.
  24. 제9항에 있어서, 상기 제1 금속 부품은 용접부의 구역에서 2 mm 이하의 두께를 갖는 것인 레이저 용접 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 두께는 1 mm 미만인 것인 레이저 용접 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 두께는 0.5mm 미만인 것인 레이저 용접 방법.
  27. 제9항에 있어서, 상기 제2 금속 부품은 용접부의 구역에서 적어도 100 ㎛의 두께를 갖는 것인 레이저 용접 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 용접부의 구역에서 제2 금속 부품의 두께는 0.5 mm 미만인 것인 레이저 용접 방법.
  29. 제9항에 있어서, 상기 히트 스테이크는 나선형의 형태인 것인 레이저 용접 방법.
  30. 제9항에 있어서, 상기 거리는 포커싱된 스폿이 적어도 하나의 방향에서 서로 중첩하도록 된 것인 레이저 용접 방법.
  31. 삭제
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